基于DSP的光伏逆变电源设计.pdf

第4期机电技术机电技术基于基于DSP的光伏逆变电源设计的光伏逆变电源设计*侯 磊王晶晶（福州职业技术学院，福建 福州 350108）摘要光伏逆变电源是光伏发电系统中的重要能量变换装置，直接影响着电能质量和转化效率。文章选取两级式结构对光伏逆变器进行分析设计，在电路拓扑结构的基础上进行控制策略的研究，对于系统前后级分别进行控制，完成了系统软硬件设计。通过对输出电压波形和数据进行分析，得到的逆变电源输出电压波形良好，谐波含量低，验证了该设计方案的可行性与稳定性。关键词MPPT；DSP；光伏；逆变电源中图分类号：TM464文献标识码：A文章编号：1672-4801（2023）04-063-04DOI：10.19508/ki.1672-4801.2023.04.019*福建省中青年教师教育科研项目（科技类）（JAT220657）作者简介：侯磊（1987），男，助教，硕士，研究方向为电气控制、开关电源。光伏发电系统主要由太阳能电池板、控制器和逆变器三个部分组成。其中最重要的部分就是逆变器，它作为电能转换部件，性能的优劣对光伏系统的电能转化效率、输出电能质量有很大的影响1。光伏逆变电源利于环保、节约能源，在国民经济的很多领域都得到了广泛应用，尤其在现代新能源应用方面，有着至关重要的地位。本文根据实际需求，对光伏逆变电源进行设计，以高性能数字处理器DSP为核心控制器，实现电路的数字化，利用先进的控制策略来设计稳态好、可靠性高的数字式逆变电源系统。1MPPT控制策略及其实现最大功率点追踪（MPPT）技术是通过监测光伏电池输出的电流和电压，分析光伏电池是否在最大功率点工作，若此时未在最大功率点工作，控制算法会输出占空比调节PWM波，从而控制电路中开关管的通断，调整光伏电池的工作点，通过多次调整，直至光伏电池在最大功率点输出。在光伏逆变器中使用MPPT技术的输出功率相比于未使用 MPPT 技术提高了 50%，所以在光伏逆变器中使用MPPT技术对于提高能量转化效率有重要意义。常见的 MPPT实现方法有定电压跟踪法、扰动观察法、电导增量法等2-3。其中，电导增量法通过测量和比较，进而预测出MPPT的大致位置，然后根据公式计算结果进行调整，不仅避免了对电压的盲目调整，同时亦能保证对光伏电池的输出电压进行平稳的追踪，光伏电池的输出功率波动也相对较小4。1.1DC/DC电路实现MPPTMPPT 一般通过 DC/DC 电路实现，如图 1 所示。通过DC/DC电路改变太阳能电池输出阻抗，可以进行阻抗匹配，使系统输出最大功率。DC/DC电路常用的拓扑结构主要有三种，根据光伏电池的特性，本文采用 Boost 升压拓扑结构。Boost拓扑电路转换效率高，并且电能转换效率可以随占空比的变化而变化，适合太阳能电池供电线路，可将较低的电压转化为可以进行逆变的直流高电压，是一种很好的解决方案。&+DL7+0337+DRUI+_图1DC/DC电路实现MPPT的示意图1.2Boost电路实现MPPT原理当光伏电池板接Boost电路时，阻抗转换的电路示意图如图2所示。假定Boost变换器无损耗，负载为纯电阻，依据电路原理和能量守恒，可以得到Boost电路等效输入阻抗与外接阻抗的关系为：RL=RL（1-D）2。其中：为 Boost 电路占空比，RL为外接阻抗，RL 为等效阻抗。根据上述公式，在忽略Boost电路阻抗的时632023年8月机电技术机电技术%2267+DL7+L7+5/5/+图2Boost电路阻抗转换示意图候，占空比D越小，等效阻抗RL 就越大。通过调整开关占空比D，使阻抗RL 与太阳能电池等效内阻相匹配，就可以实现最大功率输出，Boost电路就是利用这一原理实现MPPT。2SVPWM 逆变控制技术在当前逆变器的设计当中，其调制方式主要是包括SPWM调制及SVPWM调制，后者是基于空间矢量来实现调制波输出控制的一种方法。在实际应用中，SVPWM更易于数字化控制，调制范围广，比SPWM的电压利用率高5。SVPWM在具体的实现上，也是根据SPWM的方式，即利用载波与调制波的调制，从而产生所需的SVPWM波形，因此其关键部分在于功率开关元件的导通判断时间的确定上。在DSP上利用EVA模块，控制送入比较器的数值，即可实现输出脉冲占空比。SVPWM在DSP上的实现形式有两种：一种是软件实现，另一种是使用 SVPWM 状态机硬件实现，即“七段法”软件实现和“五段法”状态机实现。“七段法”软件编写较复杂，开关次数较多，开关损耗较大，但输出三相电压平衡，电压谐波含量较小；“五段法”实现简单方便，功率器件平均开关频率较低，开关损耗较小，但会引起三相输出死区不平衡，加大输出电压谐波。根据选用 DSP 芯片TMS320F2812 的强大数据处理能力及其运行速度，使用“七段法”软件来实现SVPWM的输出，程序具体的实现流程图见图9。3光伏逆变电源硬件设计3.1整体方案设计该光伏逆变电源将光伏电池板输出的直流电能通过DC/DC电路升压，再由DC/AC逆变电路将直流电转换为交流电，经过滤波电路，将电能中的谐波滤掉供负载或者电网使用。本文中以 DSP作为主控芯片，进行前后级电路驱动、电流电压信号采集，MPPT 算法处理等工作。采用 TI 公司的DSP芯片 TMS320F2812，工作频率高，功耗低，具有强大的数据处理和运算能力，能够满足光伏发电系统的MPPT、并网、逆变控制算法的需要。该光伏逆变器硬件设计结构框图如图3所示，采用两级式光伏逆变系统，包括DC/DC升压电路、DC/AC逆变电路、滤波电路、驱动电路、信号采集电路等。&+DL&$&F+D%#+D+5CE63E+$SVPWMPPWMPEGLEGL图3光伏逆变电源硬件结构图3.2主电路设计3.2.1DC/DC升压电路本文中的DC/DC升压电路为Boost变换电路，如图4所示，通常情况下Boost电路设计为电流连续模式。假设该电路的开关周期为T，占空比为D，导通时间为DT，则断开时间为（1-D）T，光伏阵列输入电压为Uin，变换器输出电压为Udc。LC1C2DS+_+_Udc图4DC/DC升压电路输出和输入的电压之间的关系为：Udc/Uin=1/（1-D）。Udc是Boost变换器的输出电压即直流母线电压，考虑到Boost升压电路的功率等级，以及方便设计驱动电路，可以选择与逆变器中相同的功率器件作为Boost变换电路的开关管。电容C1并联在了光伏阵列的输出端，它的主要功能是缓解电感产生的纹波电流对光伏阵列电池的冲击，C1的设计要求根据电感电流和纹波电压进行选取。C2的主要作用是稳定Boost电路输出的电压以及滤波，根据直流侧的纹波电流进行选取。3.2.2DC/AC逆变电路DC/AC 逆变电路是整个电源系统主要的功率输出端，使用DSP产生的SVPWM调制信号来控制逆变桥功率开关管的开关，以实现 SVPWM 的放64第4期大输出。由于三相全桥逆变电路比三相半桥逆变电路的输入直流电压利用率更高，功率器件的电流应力更小6，选用三相全桥逆变电路，电路图如图5所示。1）逆变器功率器件选择功率器件MOSFET的优点是开关动作快、驱动功率小，但其耐压值低、导通时损耗高，不适用于功率较大的场合。DC/AC电路由于LC滤波模块的存在，会产生较长时间的续流，易损坏MOSFET。IGBT具有输入阻抗高、开关容量大、损耗小等优点7，因此 DC/AC 逆变电路选用的开关器件为IGBT。CEVdcLCV1V3V2V4V6Viaibic5图5DC/AC 逆变电路图2）LC滤波电路本文采用了“七段法”软件产生SVPWM调制信号，相对于传统的SPWM调制法大幅地减少了谐波产生，但仍有部分高次谐波存在，同时，由于所设计的电源系统的工作环境存在干扰，因此在逆变桥输出到负载前，应当加入合适的滤波电路，以消除谐波及干扰，保证输出电源的质量。LC滤波器结构简单，滤波效果好，本文采用LC低通滤波器。在设计LC滤波器时需重点要考虑截止频率，根据滤波电路中滤波电感的最大纹波电流与输出额定电流的关系及截止频率公式可以选择合适的L、C参数。3.3控制电路设计3.3.1驱动电路设计传统的IGBT驱动电路，一般采用的是通过一级信号放大电路再加上一级的功率放大电路，然后才将驱动信号送到逆变桥，不仅功率损耗大，还会造成时间的延迟，由于采用多元件驱动设计，同时也加大了系统的不稳定性。本文的驱动电路采用IR2132作为IGBT驱动芯片，它是IGBT的专用栅极驱动集成芯片。根据芯片典型应用电路图，在外围构建添加电阻、电容和二极管等器件组成如图6所示的IGBT驱动电路。3.3.2信号采集电路LC%#R1R2R3R4R5R6R7R8R9C1C2C3C11R21R22E#SVPWM15VD1D2D3300VQ1Q2Q3Q5Q6Q4+#G图6IGBT驱动电路系统在输入侧需要完成对光伏电池输出电压和输出电流信号的采样，并在程序中运行逻辑控制算法，以产生升压PWM进行功率放大后来控制Boost 电路开关器件的通断，完成 MPPT 的控制。在输出侧需要将逆变器输出至滤波器上的电压和电流进行AD采样读取进DSP，由DSP芯片对数据进行处理，并输出相应的 SVPWM 信号给驱动电路，控制逆变器的输出，使系统的输出保持动态稳定。以上信号均为强电信号不可直接连接至DSP的AD模块输入端口，因此需要设计采样调制电路将强电信号转化为弱电信号再送至AD模块输入端口进行信号量采集。下文以输出侧电感电流为例，说明逆变器输出电流信号采集电路的设计，首先使用电流传感器将输出电流变换为小电流信号，然后经过第一级比例和滤波电路后，再经第二级的直流偏置以及保护电路将调制好的信号接入到 DSP 芯片的ADC输入引脚中，进行输出端电流的采集，电流采样电路如图7所示。+#15V+15V+3.3VGNDVrefLM358DLM358DR2R3R1R4R5R6R7R8R9D1D2C1图7输出电流采样电路4光伏逆变电源软件设计逆变系统中，DSP是整个系统最核心的控制芯片，不仅需要完成对采集信息的分析解析和计侯磊 等：基于DSP的光伏逆变电源设计652023年8月机电技术机电技术算转换，还需要与各种功能的子程序进行通讯及数据交换，同时要完成对各模块的初始化及控制，保证了整个系统各个子程序之间协调有序的配合。主要子程序包括MPPT控制子程序、SVPWM波生成子程序、AD 采样程序等。下文主要介绍MPPT 控制子程序和 SVPWM 波生成子程序的编写思路。MPPT控制子程序流程图如图 8所示。子程序开始后，对于光伏阵列的相关数据进行采集，然后通过本文选取的电导增量法进行分析计算，根据当前的光照强度和外界的温度调节输出基准电压值，并调用PWM波生成子程序生成Boost电路的驱动信号，通过调节Boost电路的工作状态实现MPPT控制。SVPWM 波生成子程序的程序流程图如图 9所示。在开发环境CCS中编写这个程序时，应用到了TI公司的IQmath Library的函数，主要是针对角计算、调制幅度、定时器计数脉冲个数及采样LGL0337A1E+3:05PWM0A1uout-.6+uout1*A1-,!A1dqG.uoutA1WaWbWcE,EEF图8MPPT控制子程序图9SVPWM波生成子程序流程图流程图的点个数计算，是一个能够将浮点算法转换为高精度定点算法的库。5实验结果及分析图10、图11分别给出了逆变电源在空载和带阻性负载下的输出电压波形和各次谐波的百分比，电压畸变率THD分别为0.7%和1.3%。图10空载时逆变器输出波形与谐波含量图11带阻性负载时逆变器输出波形与谐波含量从图10、图11中可以看出空载时输出的电压波形和带阻性负载时输出的电压波形均为标准正弦波且质量较好，未出现谐波含量比较大的情况。可知经过滤波以后，系统无论是空载还是带阻性负载时输出电压波形都比较好，图示波形中探头将信号缩小至十分之一，实际交流侧输出的相电压峰值约为310 V，计算出有效值为219 V，频率约为50 Hz，可以达到理想的结果。6结论本文采用DSP控制器，利用合适的控制策略，对光伏逆变电源系统的整体进行设计，并通过实验分析了该逆变电源的输出电压波形与谐波含量，得出以下结论：1）光伏逆变电源输出波形质量较好，谐波含量低，可满足使用要求；2）两级式结构光伏逆变器设计方案及所选控制策略具有可行性与稳定性。参考文献：1 王灏.一种新型光伏逆变器的设计J.上海电气技术，2022，15（1）：18-20，32.2 王桥莉，张文浪.太阳能发电系统MPPT控制策略J.科技与创新，2022（9）：70-72，77.3 朱配清，赵学荟.光伏系统最大功率追踪算法的研究J.集成电路应用，2022，39（8）：218-219.4 杨斌，闫忠鹏.基于扰动观察法及电导增量法的光伏MPPT控制研究J.喀什大学学报，2021，42（6）：40-46.5 朱晨阳.基于无差拍电流预测的三相光伏并网逆变器控制策略研究D.大庆：东北石油大学，2022.6 李迅.基于DSP28335的光伏逆变器研究D.西安：西安科技大学，2017.7 李贺龙，丁立健，刘国友.MOSFET和IGBT关断特性及其对并联特性的影响J.机车电传动，2021（5）：99-105.66